全 文 ：园 艺 学 报 ， （ ）： – 2014 41 12 2507 2512 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期：2014–07–29；修回日期：2014–10–22
基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAD32B03）；国家自然科学基金项目（41301553）；中央级公益性科研院所基本业务费项目
（BSRF201304）
有机与非有机莴苣的氮稳定同位素辨识研究
姚志鹏 1，郭智成 2，李玉中 1,2,*，徐春英 1，李巧珍 1，房福力 1
（1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部旱地节水农业重点实验室，北京 100081；2 中国农业科学
院环境稳定同位素实验室，北京 100081）
摘 要：为了证明利用氮稳定同位素技术鉴别有机蔬菜的可行性，本试验研究了不同肥料条件下土
壤和莴苣不同部位的同位素特征变化情况。设置 4 个不同肥料条件：撒施有机肥（N 400 kg · hm-2）、局部
施尿素（N 300 kg · hm-2）和撒施尿素（N 400 kg · hm-2），以及对照（不施用任何肥料）。结果表明不同肥
料条件下土壤 15N 丰度（即 δ15N）差异显著（P < 0.05），表现为撒施有机肥 > 对照 > 局部施尿素 > 撒
施尿素。各肥料条件下土壤 δ15N 值均呈现先升高再降低最后趋于平稳的变化规律，峰值出现在定植后
20 d。不同处理莴苣 δ15N 值的差异及变化规律与土壤 δ15N 值变化规律相同。莴苣不同部位 δ15N 值比较结
果为：外叶 > 根 > 内叶。莴苣内部同位素特征受环境影响最迅速。总体上，莴苣内叶和土壤的 δ15N 变
化可以反映施肥情况，从而可对判断有机蔬菜种植过程中氮肥的施用种类提供依据。
关键词：莴苣；有机蔬菜；氮稳定同位素；δ15N
中图分类号：S 636.2 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2014）12-2507-06

Identification of Organic or Conventional Lettuce by Nitrogen Isotope
YAO Zhi-peng1，GUO Zhi-cheng2，LI Yu-zhong1,2,*，XU Chun-ying1，LI Qiao-zhen1，and FANG Fu-li1
（1Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Key Laboratory of Dryland Agriculture，Chinese
Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China；2Environmental Stable Isotope Lab，Chinese Academy of
Agriculture Sciences，Beijing 100081，China）
Abstract：δ15N values of lettuce and soil were studied with different fertilizer conditions to prove the
feasibility of using δ15N to discriminate between organic food and conventional food，4 treatments were
laid out：Organic fertilizer in traditional broadcast way（N 400 kg · hm-2），urea in partial fertilization way
（N 300 kg · hm-2），urea in traditional broadcast way（N 400 kg · hm-2）and the control without fertilizer.
The δ15N values of lettuce and soil in 4 treatment were significantly different（P < 0.05），the order from
high to low is organic fertilizer > control > urea in partial fertilization way > urea in traditional broadcast
way. The temporal variations in the δ15N of lettuce and soils were similar among 4 treatments：Their δ15N
values increased rapidly at first，then reduced slowly and stabilized finally. Maximum appeared in 20 days
after transplanting. The δ15N value order of different lettuce organs is external part > root > internal part，
and the difference is significantly（P < 0.05）. To sum up，the δ15N in inner of lettuce and soil can be used
as a marker to reveal the history of nitrogen fertilization. It is useful tool for identifying the use of
synthetic nitrogen fertilizer in the process of lettuce planting.

* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：liyuzhong@caas.cn）
2508 园 艺 学 报 41 卷
Key words：lettuce；organic food；isotopic fractionation；δ15N value

现有有机蔬菜检测方法仅能检查到蔬菜中是否含有农药残留，而是否施用化肥却一直没有有效
的检测方法。氮稳定同位素技术是确定氮来源的有效检测方法。Choi 等（2003）的研究表明，15N
丰度（δ15N，即氮稳定同位素相对于其标准物的比值，其值一律为千分数）可能成为判断施用有机
肥的有效指标。Nakano 和 Uehara（2003）在对施用不同氮素肥料番茄中的 δ15N 和 δ13C 的研究也表
明，测定 δ15N 可作为有机蔬菜的有效检测方法。Georgi 等（2005）测定甘蓝、洋葱、莴苣和甘蓝在
有机和常规种植条件下 δ34S、δ18O、δ13C、δ15N 的研究结果显示，两种不同种植条件对 δ34S 和 δ18O
没有明显影响，但有机蔬菜的 δ15N 明显高于常规种植的蔬菜。Camin 等（2011）研究发现，δ15N 是
鉴定有机水果和传统种植水果的最有效指标之一。
研究人员发现，应用氮稳定同位素技术可以区分植物中氮素的来源，从而得知作物生长过程中
的施肥情况（Bateman et al.，2007）。这是由于化肥和有机肥中 15N 的含量不同，工业生产的化肥因
为氮素来源于空气，在合成过程中没有发生分馏，因此化肥的 δ15N 值与大气相似，一般在–2 ~ 2
之间。有机肥在其形成过程中由于重氮同位素更容易存留，因此有机肥与化肥相比 15N 表现出更明
显的富集现象，有机肥的 δ15N 值通常在 10 以上，高者可达到 20（Bateman & Kelly，2007）。这种
差异为利用 δ15N 值来判断有机种植过程中是否施用化肥提供了可行性。
本试验的目的就在于明确不同氮肥及不同施肥量对莴苣不同部位 δ15N 以及土壤中 δ15N 的影响，
从而证明利用氮稳定同位素技术检测有机蔬菜种植过程中是否施用化肥的可行性，并在 Bateman 等
（2007）试验基础上确定莴苣最佳检测部位和参考值。
1 材料与方法
1.1 研究区概况与试验设计
露地种植试验在北京市顺义农业科学研究所（位于北京北部）进行。气候为典型的暖温带半湿
润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均日照时数 2 684 h，年平均
气温 11.8 ℃，年平均降水量 550.3 mm。
2012 年 5 月 6 日开始莴苣育苗，育苗盘基质以草炭土和蛭石按体积比 1︰1 混合而成。育苗过程
中严格控制光、温、水、气等条件，创造适宜的环境条件。
6 月 20 日定植。以施用的氮肥为变量因素，设计 4 个处理：撒施有机肥（N 400 kg · hm-2）、局
部施尿素（N 300 kg · hm-2）、撒施尿素（N 400 kg · hm-2）和不施用任何肥料（对照），各设 3 次重
复。除对照外，所有处理的磷肥与钾肥施肥量均为 180 kg · hm-2。试验开始前测定土壤、有机肥、
尿素的 δ15N 值分别为 4.18 ± 0.17、10.45 ± 0.35 和–1.62 ± 0.12。
有机肥（N 400 kg · hm-2）处理和撒施尿素（N 400 kg · hm-2）处理为撒施肥料后起垄，局部施
尿素（N 300 kg · hm-2）处理在起垄的同时进行施肥。肥料全部作为基肥。垄上宽为 1.4 m，下宽为
1.6 m，长 16.7 m，高 20 cm。每个肥料处理组 3 个重复，移栽方式采用每垄交错种植 2 行，行距 50 cm，
株距 50 cm。定植前测得莴苣单株干样质量和 δ15N 分别为 1.15 g 和 4.84 ± 0.05。
1.2 样品的采集和处理
莴苣整株和土壤于定植当天取样测量本底值，于定植后 5、20、35 和 50 d 取样。莴苣样品选取
长势均匀，无病虫害的莴苣整株。土壤样品用土钻取距莴苣 5 cm 处，深 40 cm 的土壤，混合均匀。
12 期 姚志鹏等：有机与非有机莴苣的氮稳定同位素辨识研究 2509
定植后，土壤中的氮被植物吸收，会以不同形态运送到植物的不同部位和器官，在这些过程中
14N 和 15N 会表现出不同的反应速度，氮素出现分馏（del Amor et al.，2008），不同部位的 δ15N 可
能不同。为了比较不同肥料种类和施用量对莴苣不同部位 δ15N 值的影响，将取样的莴苣分为 4 部分：
地上整个植株、莴苣内叶（从内往外取面积大于 1 cm2 的叶片 5 片）、外叶（从外向内最外面的 2 片
叶片）和根，用蒸馏水清洗后在 105 ℃下杀青 30 min，然后在 75 ℃下烘干 24 h 至恒重。所取土壤
样品在 75 ℃下烘干 24 h 至恒重。烘干后，用球磨机将样品研磨粉碎，过 100 目筛，备用。
1.3 样品δ15N检测
δ15N 由元素分析仪和稳定同位素比值质谱仪连用进行分析，元素分析仪为 Elementar 公司生产
的 vario PYRO cube 元素分析仪，质谱仪为 IsoPrime 公司生产的 IsoPrime100。测定结果采用 USGS43
和 IAEA-N1 两点校正，样品分析过程中每隔 12 个样品插入一个实验室标准样品（δ15N 值为 7.02），
用于控制氮同位素分析过程中样品测定的精度。仪器测定偏差为 ± 0.02%。
天然物质同位素的组成一般用 δ 值（δ 值一律为千分数），对于氮同位素，15N 在大气中的自然
丰度变化很小，且丰度稳定，15N 原子百分数为 0.3663%，被用来作为 15N 的标准同位素丰度。其 δ15N
的计算是用样品氮重同位素（15N）与轻同位素（14N）原子数比值 R 样（R15 · R14-1）与空气氮的同位
素比值 R 标（R15 · R14-1）的相对差值，即 δ15N 来表示。δ15N = [（R 样–R 标）· R 标-1] × 1 000。
应用 Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理作图，应用 SAS 8.01 软件进行数据统计分析，采
用单因素方差分析中的 LSD 法进行差异性分析。
2 结果与分析
2.1 土壤δ15N值的变化
如表 1 所示，定植 0 d 时撒施有机肥（N 400 kg · hm-2）处理的土壤 δ15N 值显著大于不施肥的对
照处理（P < 0.05），这表明施用有机肥显著提高了土壤的 δ15N 值（P < 0.05），同时撒施有机肥（N
400 kg · hm-2）的处理显著大于局部施用尿素（N 300 kg · hm-2）的处理和撒施尿素（N 400 kg · hm-2）
的处理（P < 0.05）。而局部施用尿素（N 300 kg · hm-2）的处理和撒施尿素（N 400 kg · hm-2）的处
理均显著低于对照（P < 0.05），说明施用化肥会明显的降低土壤 δ15N 值。从莴苣的整个生育期看，
施用有机肥处理的土壤 δ15N 值均显著大于局部施用尿素的处理和撒施尿素的处理（P < 0.05），这
是因为有机肥中 15N 的丰度高，植物优先利用 14N，进而造成土壤中 15N 的进一步富集。
根据土壤 δ15N 值随取样时间的变化规律也不难发现，撒施有机肥处理的土壤 δ15N 值均在 6 ~ 8
之间，而施用不同氮量化肥处理的土壤 δ15N 值均在–1 ~ 2 之间，这为利用产地土壤样品检测是否
是有机蔬菜提供了一定的理论支持以及参考值。

表 1 不同肥料条件下定植后不同天数土壤 δ15N 值的变化
Table 1 δ15N of soil at 0，5，20，35 and 50 days after transplanting
定植后天数 Days after transplanting 处理
Treatment
施氮量/（kg · hm-2）
Fertilizer rate 0 5 20 35 50
撒施有机肥 Broadcast organic fertilizer 400 7.53 a 6.73 a 6.47 a 6.31 a 6.85 a
局部施尿素 Local fertilization of urea 300 –0.21 c 0.37 c 1.32 c 0.89 c 0.53 c
撒施尿素 Broadcast urea 400 –0.32 c 0.57 c 1.38 c 0.59 c 0.83 c
不施肥（对照）No-fertilizer（Control） 0 4.52 b 4.32 b 4.85 b 5.19 b 4.98 b
注：不同字母表示不同处理间差异显著，P < 0.05。下同。
Note：Different letters denote statistically significant differences among different treatments，P < 0.05. The same below.

2510 园 艺 学 报 41 卷
















图 1 不同氮肥条件下莴苣 δ15N 值变化
Fig. 1 δ15N of lettuce under different N fertilizations
2.2 不同N肥种类和施用量对莴苣δ15N的影响
如图 1 所示，与定植前相比，撒施有机肥
的处
验研究结果显示，在收获前 δ15N 值差异达到最大值，撒施有机肥的处理比不施肥的对照高
2.64
不同
随 律与整株 δ15N 值的变化规律相同。不
同肥
变化很小且不同土壤的 δ15N 相近，短期内土壤 δ15N 的变化主要源于肥
料的
Ta 15
5 d 50 d
理莴苣整株的 δ15N 值在定植后 5 d 时增加
了 2.07，而局部施尿素和撒施尿素的处理莴苣
整株的 δ15N 值分别降低了 1.95 和 2.82，与不
施肥的对照比较，撒施有机肥的处理高出对照
1.82，局部施用尿素和撒施尿素的处理分别比
不施肥的对照低 2.15 和 3.03。莴苣整株 δ15N
值随时间变化呈现一定规律，即先增加，到定
植 20 d 后达到最大值，然后降低到一定值趋于
稳定。这种变化是由土壤无机氮的含量和 δ15N
值的变化引起的（Yoneyama et al.，2003）。在
莴苣生长初期，土壤中外源氮（化肥或有机肥）
充足，植株优先利用土壤中的外源氮，所以体
内的 δ15N 差异变大，而到了莴苣生长后期，土壤中可利用氮的含量降低，氮同位素分馏作用也比较
低（Mariotti et al.，1981），以及莴苣对土壤内源氮的吸收（Choi et al.，2002），此时植物吸收的氮
素中，来源于无机态氮的 δ15N 与来源于土壤有机氮转化而来的无机氮 δ15N 几乎没有差别（Högberg
et al.，1996），所以最后各组莴苣的 δ15N 值均趋于稳定。
本试
，局部施用尿素的处理和撒施尿素的处理分别比不施肥的对照低 3.15 和 4.33（图 1），说明不同
氮同位素的肥料对莴苣整株的 δ15N 值有非常重要的影响，施用有机肥会明显增高莴苣整株 δ15N 值，
而施用化肥会显著降低莴苣整株 δ15N 值。从收获时各种处理莴苣 δ15N 值的比较可以看出，有机肥
与不施肥的对照两个处理的 δ15N 值均高于 5；而化肥的两个处理其 δ15N 值均低于 5，因而可以考虑
用 δ15N 值为 5 作为判定莴苣是否为有机栽培的基准。
2.3 N肥种类和施用量对莴苣不同部位δ15N值的影响
如表 2 及图 1 所示，莴苣不同部位 δ15N 值 时间变化规
料种类和用量条件下，根的 δ15N 值总是介于莴苣内叶和外叶的 δ15N 值之间。莴苣内叶的 δ15N
值均显著低于外叶的 δ15N 值（P < 0.05）。这与 Choi 等（2002，2006）和 Nakano 和 Uehara（2003，
2007）的研究结果相似。
通常，土壤本身的 δ15N
施入。随着肥料的施入，土壤 δ15N 会急剧变化（表 1），进而引起植物 δ15N 的变化。
表 2 莴苣定植后不同天数不同部位 δ15N 值的变化
ble 2 The δ N variations of different parts of lettuce
20 d 35 d
处理
Trea ent
外叶 根 外叶

根 外叶 根 外叶 根 tm
内叶 +
Inner + Outer
leaves
Root
内叶
Inner
leaf
Outer
leaf
Root
内叶
Inner
leaf
Outer
leaf
Root
内叶
Inner
leaf
Outer
leaf
Root
撒施有机肥 Broadcast organic fertilizer c b 6.87 a 3.41 b 7.44 c 13.81 a 9.49 b 6.40 11.28 a 8.81 b 6.04 10.14 a 5.89 b
局部施尿素
– –

Local fertilization of urea
撒施尿素 Broadcast urea
2.89 a 1.01 b
0.73 b
4.22 c
4.12 c
7.97 a
7.84 a
6.64 b
5.61 b
1.42 c
0.36 c
6.01 a
4.89 a
3.60 b
1.88 b
0.46 c
0.69 c
5.26 a
4.61 a
2.61 b
1.46 b2.02 a
对照（不施肥）Control（No-fertilizer）5.05 a 4.24 b 5.45 c 9.81 a 8.55 b 5.77 c 8.65 a 6.59 b 5.05 b 7.82 a 4.88 b
从表 3 中可以发现，莴苣内叶的 δ N15 值 近 δ ，更接 土壤 15N 值 外叶的 δ15N 在整个生育期中都是
12 期 姚志鹏等：有机与非有机莴苣的氮稳定同位素辨识研究 2511
大于
表 3 莴苣外叶与内叶的 δ15N 差值 叶与土壤 δ15N 的差值
Tab 15 il
Outer leaf– r leaf
内叶的 δ15N。这就证实了莴苣内叶的 δ15N 与氮源的 δ15N 基本一致，莴苣内部为整株莴苣物质
积累的最新部位，受外界肥料影响大，氮同位素特征和氮含量变化更为迅速。而莴苣外叶的同位素
变化特征则可以表征生长过程 15N 的积累情况（Yun et al.，2006）。因此新叶的同位素变化特征可
以反映出莴苣不同生长阶段同位素变化规律，对研究不同肥料对莴苣同位素特征的影响有更好的时
效性，更适合有机蔬菜的同位素检测，可以实现进一步提高辨别有机蔬菜种植过程中氮素肥料投入
类型的准确性，辨别产品为有机蔬菜还是常规种植蔬菜。

，内叶、外
le 3 The difference of δ N of inner part，outer part of lettuce and so
外叶–内叶 内叶–土壤 外叶–土壤
Outer leaf– Inne Inner leaf– Soil Soil处理

ent
50 d 50 d 50 d
Broadcast organic fertilizer 1 1 8 7 9
Treatm
20 d 35 d 20d 35 d 20 d 35 d
撒施有机肥 6.37 4.88 4.10 –0.09 –0.9 –0.8 6.2 3.9 3.2
局部施尿素 Local fertilization of urea 3.75 4.58 4.80 2.90 0.53 –0.07 6.65 5.11 4.73
撒施尿素 Broadcast urea 3.72 5.25 5.30 2.74 –
r（Control） – – –
0.95 –1.52 6.46 4.30 3.78
不施肥（对照）No-fertilize 4.36 2.88 2.77 3.70 1.40 –0.10 0.49 2.31 2.21
3 讨论
由于不同肥料同位素特征的差异，施用有机肥和化肥在提高土壤氮含量的同时，会显著改变土
壤的
吸收的氮同位素决定，氮同位素主要来源有：有机肥、无机化肥
和土
的莴苣造成影响，莴苣
δ15N
δ15N 来区分有机种植与传统种植仍存在许多局限（Bateman et al.，
2005
同位素特征（Mizuhiko et al.，2007），有机肥可以明显提高土壤 δ15N 值，而化肥则会明显降低
土壤 δ15N 值。因此在有机蔬菜检测中，产地土壤氮同位素检测是判断有机蔬菜种植过程中是否施用
化肥的重要标准之一，本试验研究发现施用有机肥的土壤 δ15N 值在 6 ~ 8 左右，而施用不同氮量化
肥的土壤 δ15N 值在 -1 ~ 2 左右。
莴苣的 δ15N 值由生长过程中所
壤。不同土壤的 δ15N 值相近，且一般土壤含氮量较低，在外施肥料条件下，植物优先吸收外源
氮素，尤其在相同的土壤环境下，植物的氮同位素特征主要受肥料因素影响（Choi et al.，2003）。
植物所吸收的氮素在各种酶的作用下通过吸收、同化和代谢过程中，其形态发生变化（Choi et al.，
2005），由于 15N 与 14N 相比相对较重，15N 易在植物体内富集，产生分馏和印迹。由于化肥是由空
气中的 N2 合成，在这个过程中并没有发生 N 的分馏，15N 的含量接近于空气，而有机肥是由生物物
质、动物粪便、植物残体等加工而来，15N 的丰度高，δ15N 值高。因此植物施用不同肥料会造成植
株 δ15N 的差异，通过这种差异，可以判断施肥情况（Lim et al.，2007）。
本试验研究表明，肥料施入造成土壤同位素特征改变后同样会对所种植
值随时间变化呈现一定规律，即出现分化后先增加，到 20 d 后达到最大值，最后降低到一定值
后趋于稳定。莴苣不同部位 δ15N 值有较大差异，外部的 δ15N 值大于根的 δ15N 值，并大于莴苣内部
的 δ15N 值，莴苣内叶对外界同位素变化更为敏感。因此，莴苣的内叶的同位素特征更能够代表施肥
的类型，比莴苣外叶和根部更适合应用于有机蔬菜的同位素检测中。同时，在本试验中发现，施有
机肥的莴苣 δ15N 明显高于两种施化肥的试验处理，这也为有机蔬菜的同位素检验提供一定判断依
据。综合考虑研究结果，可以用莴苣内叶的 δ15N 值作为判定有机莴苣生产过程中是否施用化肥的一
个基准，且基准值为 5。
然而，利用检测植物内叶
），虽然本研究分析了施用不同肥料对土壤同位素特征的影响，得出了随莴苣生长过程土壤 δ15N
的变化规律，但也存在着不足之处以待改进，如果增加土壤 NO3--N 和 NH4+-N 的含量和对同位素特

2512 园 艺 学 报 41 卷
征分析，会对本试验结果有更好的解释。与本试验相比，农业生产过程中，施肥种类和方式更为复
杂，一般为有机肥和化肥共同使用，并且在肥料不足时适时追肥。在有机蔬菜生产中，虽然仅允许
施用有机肥，但有机肥同样存在种类多样、配比不同的问题，这些因素都会对土壤和莴苣同位素特
征产生更复杂的影响。这就需要更多肥料配比试验，将观测结果建立数据库，以实现有机蔬菜的氮
稳定同位素检测技术的快速成熟与应用。

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